用于無(wú)人飛行器系統(tǒng)的綜合健康管理（IVHM）架構(gòu)設(shè)計(jì)

張博+孟寶林+欒書(shū)平

摘 要：無(wú)人飛行器系統(tǒng)由無(wú)人飛行器和地面控制臺(tái)組成。相比于有人飛行器，無(wú)人飛行器的事故率很高，成為了現(xiàn)階段阻礙無(wú)人飛行器廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要原因。對(duì)飛行器的實(shí)時(shí)及長(zhǎng)期健康狀況的有效監(jiān)測(cè)、診斷及預(yù)測(cè)，是飛行器保障維護(hù)工作中的重要一環(huán)。文章介紹了飛行器綜合健康管理（IVHM）的概念及其通用架構(gòu)模塊，提出了用于無(wú)人飛行器系統(tǒng)的綜合健康管理架構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)其可行性進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：飛行器綜合健康管理；無(wú)人飛行器系統(tǒng)；架構(gòu)設(shè)計(jì)；可行性

無(wú)人飛行器的概念最早出現(xiàn)在20世紀(jì)初。那時(shí)的人們就已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，不需要乘員的無(wú)人飛行器非常適合于執(zhí)行那些危險(xiǎn)、環(huán)境惡劣或重復(fù)枯燥的任務(wù)。然而很長(zhǎng)一段時(shí)間里，受科技水平的限制，無(wú)人飛行器的實(shí)際應(yīng)用十分有限。直到近二十年，隨著微電子技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和材料技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)人飛行器的載重能力、控制距離和飛行持續(xù)時(shí)間得到了大幅提升，才使其具備了獨(dú)立執(zhí)行各種復(fù)雜任務(wù)的能力[1]。

盡管無(wú)人飛行器的體量越來(lái)越大，復(fù)雜程度越來(lái)越高，功能越來(lái)越強(qiáng)，其安全性卻始終未達(dá)到令人滿(mǎn)意的程度。美國(guó)是目前在大型無(wú)人飛行器領(lǐng)域投入最大，裝備數(shù)量最多的國(guó)家之一。已裝備的大型無(wú)人飛行器主要有捕食者M(jìn)Q-1，全球鷹RQ-4，收割者M(jìn)Q-9等。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2012年，這三型無(wú)人飛行器的A類(lèi)事故數(shù)及事故率見(jiàn)表1[4]。

經(jīng)調(diào)查，機(jī)載設(shè)備在飛行中發(fā)生故障或失效是造成如此多事故的最主要原因，占到A類(lèi)事故總數(shù)的57%。這幾型無(wú)人飛行器還具備一些共同特點(diǎn)，如大展弦比機(jī)翼，單引擎，衛(wèi)星調(diào)制的超視線(xiàn)控制，長(zhǎng)航時(shí)等。這些特性進(jìn)一步降低了無(wú)人飛行器的整體可靠性，往往單個(gè)設(shè)備或模塊的故障就會(huì)造成整個(gè)飛行器的損毀。

另一方面，無(wú)人飛行器系統(tǒng)由無(wú)人飛行器和地面控制臺(tái)組成。遠(yuǎn)程操作員通過(guò)地面控制臺(tái)駕駛無(wú)人飛行器時(shí)，可得到的信息十分有限，判斷力與直覺(jué)也因此受到限制，當(dāng)飛行器出現(xiàn)異常或故障的征兆時(shí)，往往不能及時(shí)察覺(jué)并應(yīng)對(duì)。

綜合上述這些因素，導(dǎo)致了現(xiàn)階段無(wú)人飛行器的事故率遠(yuǎn)高于有人飛行器。大型無(wú)人飛行器想要更廣泛地應(yīng)用在民用各個(gè)領(lǐng)域，就必須有效地解決安全性問(wèn)題。

1 飛行器綜合健康管理概述

飛行器綜合健康管理（IVHM，Integrated Vehicle Health Management），是一種對(duì)飛行器及其組成部件的健康狀況進(jìn)行統(tǒng)合地監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、診斷及處置的能力[5]。IVHM的概念從機(jī)內(nèi)測(cè)試（BIT）及機(jī)內(nèi)測(cè)試設(shè)備（BITE）的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，通過(guò)智能自主的監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、維護(hù)調(diào)度、異常處置等手段，提升飛行器總體的安全性、可用性、可靠性，并降低維護(hù)維修的費(fèi)用。IVHM包含的活動(dòng)主要有：

（1）監(jiān)測(cè)：通過(guò)飛行器上的分布式傳感器，采集飛行器各部分工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。

（2）診斷及預(yù)測(cè)：診斷是否存在異常，判斷異常的嚴(yán)重程度，并預(yù)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)的變化趨勢(shì)。

（3）緩解或修復(fù)：在最大可能保證系統(tǒng)和任務(wù)有效性的前提下對(duì)異常進(jìn)行處理，將故障部分恢復(fù)到正常狀態(tài)，或更換故障部分，或其它空中/地面維護(hù)工作。緩解及修復(fù)的實(shí)施須建立在健康診斷或預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)之上。

（4）檢驗(yàn)：確認(rèn)故障已被正確地修復(fù)，并且沒(méi)有遺留潛在問(wèn)題。

IVHM活動(dòng)模型見(jiàn)圖1。四項(xiàng)主要活動(dòng)在IVHM的綜合調(diào)度下由機(jī)上設(shè)備自動(dòng)執(zhí)行或由地面維護(hù)人員完成。對(duì)無(wú)人飛行器來(lái)說(shuō)，在沒(méi)有機(jī)上駕駛員的情況下，IVHM可對(duì)飛行器各組成部分的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控及檢測(cè)，有效幫助遠(yuǎn)程操作員把握飛行器的整體健康狀況。在出現(xiàn)故障或隱患時(shí)，盡量使其恢復(fù)到正?；?yàn)榫S護(hù)工作提出決策及建議，將安全性風(fēng)險(xiǎn)和對(duì)任務(wù)的影響降到最小。另一方面，無(wú)人飛行器為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，通常也具備較高的系統(tǒng)集成度和故障檢測(cè)覆蓋率，降低了IVHM在無(wú)人飛行器上應(yīng)用的難度。

2 IVHM通用架構(gòu)模塊

飛行器的各個(gè)部件通常由不同的供應(yīng)商開(kāi)發(fā)，并且具備各自獨(dú)立的維護(hù)產(chǎn)品和服務(wù)。為實(shí)現(xiàn)IVHM對(duì)全機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)的收集及綜合處理，必須解決各部件之間數(shù)據(jù)格式及傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題。2001年，由美國(guó)海軍牽引，由波音、洛克韋爾等公司聯(lián)合組建的小組制定了一個(gè)用于視情維護(hù)的開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)OSA-CBM（Open System Architecture for Condition Based Maintenance），之后被IVHM機(jī)構(gòu)引用，成為了IVHM通用標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)[6]。

OSA-CBM架構(gòu)分為七層，自底向上分別是：

ST（Sensor/Transducer）：傳感器；

DA（Data Acquisition）：數(shù)據(jù)采集；

DM（Data Manipulation）：數(shù)據(jù)處理；

SD（State Detection）：狀態(tài)檢測(cè)；

HA（Health Assessment）：健康評(píng)估；

PA（Prognosis Assessment）：預(yù)測(cè)評(píng)估；

AG（Advisory Generation）：決策生成。

后文將以上述7個(gè)層級(jí)作為基礎(chǔ)功能模塊開(kāi)展IVHM架構(gòu)設(shè)計(jì)。

3 用于無(wú)人飛行器系統(tǒng)的綜合健康管理架構(gòu)

為滿(mǎn)足遠(yuǎn)程控制的需求，無(wú)人飛行器系統(tǒng)的系統(tǒng)集成度和自動(dòng)化程度很高，而且系統(tǒng)各層級(jí)本身就具備覆蓋度較高的狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器，可以被IVHM直接利用。事實(shí)上，隨著IVHM概念的慢慢成熟，人們對(duì)IVHM的設(shè)計(jì)也趨于務(wù)實(shí)化。飛行器上的慣性導(dǎo)航傳感器、衛(wèi)星定位設(shè)備、無(wú)線(xiàn)電定位設(shè)備、控制傳感器以及各個(gè)設(shè)備中的BIT傳感器已足夠支撐IVHM數(shù)據(jù)采集層的需求[7]。發(fā)動(dòng)機(jī)、飛控等任務(wù)關(guān)鍵系統(tǒng)具備的系統(tǒng)級(jí)綜合健康管理（ISHM，Integrated System Health Management）也逐漸成熟，可以為全機(jī)IVHM提供較高層級(jí)的功能支持。同時(shí)，飛行數(shù)據(jù)記錄儀、飛行管理系統(tǒng)和任務(wù)管理系統(tǒng)還可以承擔(dān)一部分?jǐn)?shù)據(jù)綜合處理的工作。最后，飛行器診斷、預(yù)測(cè)、決策支持任務(wù)可以交由地面控制臺(tái)來(lái)完成。無(wú)人飛行器系統(tǒng)IVHM整體架構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。

圖中可見(jiàn)，這一架構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是充分復(fù)用了飛行器各部件上已有的傳感器及數(shù)據(jù)處理能力。對(duì)不具備信號(hào)采集或數(shù)據(jù)處理能力的設(shè)備，才將相應(yīng)的功能交由機(jī)上IVHM模塊來(lái)完成。同時(shí)，將診斷、預(yù)測(cè)與決策任務(wù)放在地面控制臺(tái)中進(jìn)行，以最大程度地減少機(jī)上的額外負(fù)載。此外，有效的系統(tǒng)健康診斷和預(yù)測(cè)必須建立在大規(guī)模數(shù)據(jù)積累和模型匹配計(jì)算的基礎(chǔ)之上，而地面控制臺(tái)則可通過(guò)外部云數(shù)據(jù)、云計(jì)算的支持，提高健康診斷、預(yù)測(cè)和決策的準(zhǔn)確性。

4 可行性分析

IVHM作為一個(gè)新興領(lǐng)域，目前仍處在不斷發(fā)展和完善之中，盡管已建立起較為成熟的理論體系，但其工程應(yīng)用的腳步卻并不算快。主要原因就是IVHM實(shí)現(xiàn)的不是與飛行或戰(zhàn)術(shù)任務(wù)直接相關(guān)的功能，在飛行器有限的載荷、能源、帶寬等的分配中，很難獲取足夠的資源。因此，能否帶來(lái)可觀的投資回報(bào)率（ROI，Return on Investment）是決定IVHM可行性的關(guān)鍵因素。IVHM ROI的計(jì)算方法如下[9]：

式中PR是IVHM提升飛行器整體可靠性所帶來(lái)的效益。相關(guān)研究結(jié)果表明，實(shí)施IVHM的飛行器可以更有效地預(yù)判系統(tǒng)部件中存在的潛在故障，相比不具備IVHM的飛行器，可提前發(fā)現(xiàn)并處理15%～30%的潛在故障。這對(duì)無(wú)人飛行器系統(tǒng)目前較低的可靠性而言，無(wú)疑是非常大的效益。

PM是IVHM視情維護(hù)相較于傳統(tǒng)定期維護(hù)所節(jié)省的費(fèi)用?，F(xiàn)代飛行器的全生命周期維護(hù)費(fèi)用占到采購(gòu)運(yùn)營(yíng)總費(fèi)用的40%以上。而基于準(zhǔn)確狀態(tài)預(yù)測(cè)的視情維護(hù)則可以減少至少30%的不必要的維護(hù)工作[5，11]。

I是飛行器實(shí)施IVHM的安裝及運(yùn)行費(fèi)用。本文中架構(gòu)設(shè)計(jì)的主要思路就是復(fù)用飛行器中已有的傳感器及BIT能力，力圖將實(shí)施IVHM的額外負(fù)載及費(fèi)用降到最低。參考現(xiàn)有的飛行器IVHM實(shí)施成本分析結(jié)果，粗略估計(jì)所需安裝及運(yùn)行費(fèi)用不超過(guò)飛行器總采購(gòu)及運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的5%[9，12]。

綜上分析，本文中設(shè)計(jì)的無(wú)人飛行器系統(tǒng)綜合健康管理架構(gòu)以較小的代價(jià)獲得了可觀的收益，可提供幾十倍至上百倍的回報(bào)率。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著無(wú)人飛行器系統(tǒng)的裝備數(shù)量不斷增長(zhǎng)，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，其較高的事故率成為亟需解決的問(wèn)題之一。本文介紹的無(wú)人飛行器系統(tǒng)IVHM 架構(gòu)設(shè)計(jì)最大程度地復(fù)用機(jī)上已具備的各級(jí)BIT設(shè)備及傳感器，并利用地面控制臺(tái)完成健康診斷、預(yù)測(cè)與決策。一方面減少實(shí)施IVHM所帶來(lái)的機(jī)上額外負(fù)載，另一方面可在云數(shù)據(jù)支持下提高診斷與預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。是降低無(wú)人飛行器系統(tǒng)事故率的一條有效且經(jīng)濟(jì)的途徑。

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作者簡(jiǎn)介：張博（1984-），碩士，研究方向：慣性/衛(wèi)星導(dǎo)航、制導(dǎo)、無(wú)人機(jī)。